熱処理とは、適当な温度に加熱して冷却する操作のことを言い、鉄鋼材料はこの操作によって所定の機械的性質や耐摩耗性が付加され、個々の持っている特性が引き出されます。熱処理には、処理物全体を加熱・冷却して所定の特性を付与するものと、表面にのみ所定の特性を付与する表面熱処理があります。

加熱温度が高いか低いか、冷却速度が速いか遅いか、その目的は硬くするのか軟らかくするのか、によって表１のように分類できます。鉄鋼材料を対象としてよく利用されている熱処理には、焼なまし、焼ならし、焼入れおよび焼戻しがあり、それぞれ加熱・冷却操作や処理目的が異なっています。

表１　鉄鋼材料を対象とした熱処理（全体熱処理）

操作方法は同じであっても、対象鋼種や処理目的が異なる場合には、熱処理の名称も異なることもあります。例えば、焼入れと固溶化処理とは両方とも高温から急冷する操作ですが、前者では焼入硬化するものが対象であり、後者の場合はオーステナイト系ステンレス鋼のように合金成分を固溶して軟化させるものが対象です。ただし、「焼入れ」とは「急冷する」の意味ですから、アルミニウム合金の溶体化処理のことを「焼入れ」と称することもあります。

図１は、熱処理の基本である機械構造用鋼の加熱・冷却操作と、組織変化および熱処理の名称との関係を示したものです。ただし、A3変態点以上で加熱してオーステナイト組織にし、その後の冷却または加熱操作の違いについて示しています。なお、この図はすべての機械構造用鋼に共通のものであり、材質およびオーステナイト化温度がまったく同一であっても、冷却操作が異なれば、金属組織および熱処理の名称も変わることが分かります。

図1機械構造用鋼における加熱･冷却操作と組織変化および熱処理の名称(変態点以上に加熱した場合)

冷却操作が徐冷と空冷の場合、金属組織は両者ともフェライト＋パーライトですが、前者に比べて後者のほうが基本的にはパーライト量が多くなって高い硬さが得られるため、熱処理の名称はそれぞれ完全焼なましと焼ならしとして区別され、当然熱処理の目的もまったく異なります。

鋼を対象とした表面熱処理は図２に示すように、表面焼入れと熱拡散処理に分類することができます。表面焼入れは、加熱源の種類によって４種類に細分化されており、その中でも工業的規模では高周波焼入れが最もよく利用されています。表面焼入れとは、焼入硬化が可能な鋼表面の必要な箇所だけを急速加熱するもので、処理層内では加熱によって炭素原子(C)は固溶していますが、その後の急冷によってマルテンサイト変態して硬化するもので、化学成分は変化しません。

図2鉄鋼材料を対象とした表面熱処理の種類

熱拡散処理とは、加熱によってFe以外の元素を拡散浸透するもので、非金属元素(C,N,S,Bなど)を拡散させるものと、金属元素(Cr,Al,V,Tiなど)を拡散させるものに分けられます。熱拡散処理の場合は、処理物全体が加熱されて鉄(Fe)以外の異種原子が表面から侵入して内部に向かって拡散しますから、処理層内では化学成分が変化しています。

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